LAPPEENRANNAN-LAHDEN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT LUT School of Energy Systems
Ympäristötekniikan koulutusohjelma Kandidaatintyö
JÄTTEIDEN MÄDÄTYKSELLÄ TUOTETUN BIOKAASUN POTENTIAALI UUSIUTUVAN ENERGIAN TUOTANNOSSA
Potential Of Biogas Produced By Waste Digestion In Renewable Energy Production
Työn tarkastaja: Professori, TkT Mika Horttanainen Työn ohjaaja: Tutkijaopettaja, TkT Jouni Havukainen Lappeenrannassa 19.1.2020
Sanni Mallat
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan-Lahden teknillinen yliopisto LUT LUT School of Energy Systems
Ympäristötekniikan koulutusohjelma Sanni Mallat
Jätteiden mädätyksellä tuotetun biokaasun potentiaali uusiutuvan energian tuotannossa
Kandidaatintyö 2020
34 sivua, 5 kuvaa, 8 taulukkoa ja 2 liitettä.
Työn tarkastaja: Professori, TkT Mika Horttanainen Työn ohjaaja: Tutkijaopettaja, TkT Jouni Havukainen
Hakusanat: uusiutuva energia, biokaasupotentiaali, anaerobinen mädätys, metaani Keywords: renewable energy, biogas potential, anaerobic digestion, methane
Kandidaatintyön tavoitteena on selvittää jätteiden mädätyksellä tuotetun biokaasun potentiaalia energian ja uusiutuvan energian tuotannossa ja potentiaalisinta biokaasun lähdettä Suomessa, Saksassa ja Intiassa. Työssä käsitellään jätteitä biokaasun lähteinä ja perehdytään biokaasun tuotantoprosesseihin. Lisäksi tarkastellaan biokaasun käyttöä tieliikenteessä, sekä sähkön ja lämmön erillis- ja yhteistuotannossa. Tuotannon raaka- aineiden valinnassa tulee huomioida paikallinen saatavuus, metaanintuottopotentiaali, kuiva-ainepitoisuus ja syötteen hajoavuus. Tuotannossa syntyvällä mädätysjäännöksen ravinteilla voi korvata epäorgaanisia lannoitteita ja saavuttaa energiasäästöjä sekä ympäristöetuja. Biokaasulla on paljon potentiaalia etenkin maaseudulla, jossa maataloudessa syntyvän lannan mädätyksellä tuotettua biokaasua voidaan käyttää sekä maatilan omiin tarpeisiin ja mahdollisesti myös tilan ulkopuolelle. Korvaamalla fossiilisia energianlähteitä biokaasulla, hillitään ilmastonmuutosta ja päästään lähemmäs maiden ilmastotavoitteita.
SISÄLLYSLUETTELO
SYMBOLILUETTELO ... 3
1 JOHDANTO ... 4
2 BIOKAASUN TUOTANTO JÄTTEIDEN MÄDÄTYKSELLÄ ... 6
2.1 Panos- ja jatkuvatoiminen kuivaprosessi ... 6
2.2 Jatkuvatoiminen märkäprosessi ... 8
2.3 Mesofiilinen ja termofiilinen mädätysprosessi ... 9
3 JÄTTEET BIOKAASUN LÄHTEINÄ ... 10
3.1 Kotitalouksien ja teollisuuden biojätteet ... 12
3.2 Tuotantoeläinten lanta ... 14
3.3 Teurasjätteet ... 16
3.4 Yhdyskuntien jätevesilietteet ... 18
4 BIOKAASUN TUOTANNON POTENTIAALI ESIMERKKIMAISSA ... 19
4.1 Suomi ... 19
4.2 Saksa ... 21
4.3 Intia ... 23
5 BIOKAASUN KÄYTTÖ ... 25
5.1 Biokaasun puhdistus ja jalostus ... 25
5.2 Tieliikenne ... 26
5.2.1 Biokaasukäyttöinen kaasuauto verrattuna sähköautoon ... 27
5.2.2 Biokaasu verrattuna dieseliin ... 29
5.3 Sähkön ja lämmön tuotanto ... 30
6 JOHTOPÄÄTÖKSET ... 32
7 YHTEENVETO ... 34
LÄHTEET ... 35 LIITTEET
Liite 1. Syntyvän biokaasun määrä eri yksiköitä kohti
Liite 2. Eläimestä jäävä sivutuotteen määrä ja teurastettujen eläinten määrä
SYMBOLILUETTELO
Alkuaineet ja yhdisteet
C Hiili
CH4 Metaani
CO2 Hiilidioksidi
N Typpi
P Fosfori
Lyhenteet
CBG Compressed Bio Gas, paineistettu biokaasu CNG Compressed Natural Gas, paineistettu maakaasu COD Chemical Oxygen Demand, kemiallinen hapenkulutus GWP Global Warming Potential, Ilmastonlämmityspotentiaali LCA Life Cycle Assessment, elinkaariarviointi
IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change, hallitustenvälinen ilmastonmuutospaneeli
NREAP National Renewable Energy Action Plan, Uusiutuvan energian kansallinen toimintasuunnitelma
TS Total Solids, kuiva-aine
VS Volatile Solids, orgaaninen aines Yksiköt
Bar Baari, paineen yksikkö CO2-ekv. Hiilidioksidiekvivalentti J Joule, energian yksikkö Wh Wattitunti, energian yksikkö
W Watti, tehon yksikkö
1 JOHDANTO
Ilmastonmuutos on globaali ongelma, joka on pääasiassa aiheutunut ihmisen toiminnasta.
Ratkaisukeinona on maapallon lämpenemistä aiheuttavien kasvihuonekaasupäästöjen huomattava vähentäminen. Päästöjen vähentämiseen on useita keinoja, joista yhtenä vaihtoehtona on fossiilisten energiantuotantomuotojen ja liikennepolttoaineiden korvaaminen vähäpäästöisimmillä ja uusiutuvilla vaihtoehdoilla. Edenhofer et al. (2015) kirjoittaman IPCC:n (Intergovernmental Panel on Climate Change) viidennen arviointikertomuksen kolmannen osan mukaan sähkön ja lämmöntuotanto aiheuttaa noin 25
% kasvihuonekaasupäästöistä. Toiseksi eniten päästöjä, noin 24 %, aiheutuu maataloudesta ja maankäytöstä. Teollisuuden päästöt aiheuttavat puolestaan 21 % päästöistä, ja liikennesektori 14 %. (Edenhofer et al. 2015.) Koska energia- ja liikennesektorin aiheuttamat päästöt ovat huomattavat, on tärkeää lisätä uusiutuvan energian määrää kyseisillä sektoreilla.
Uusiutuvia energiantuotantomuotoja ovat muun muassa vesi-, aurinko, tuuli- ja bioenergia, maalämpö ja aalloista saatava energia. Bioenergiaan lukeutuvat puupolttoaineet, peltobiomassat, biohajoavat osuudet kierrätyspolttoaineista ja biokaasu. (Motiva 2019a.) Biokaasu on uusiutuva energiamuoto, jota voidaan hyödyntää monipuolisesti esimerkiksi sähkön- tai lämmöntuotannossa ja liikennepolttoaineena kaasuautoissa lähes puhtaaksi biometaaniksi jalostettuna. Perinteinen biokaasunkäyttö on keskittynyt lämmön ja sähköntuotantoon CHP-laitoksissa (Combined Heat and Power), mutta jalostus biometaaniksi on yleistynyt. Biometaania voidaan injektoida kaasuverkkoon. Näin sen käyttöä on mahdollista laajentaa esimerkiksi teollisuuskohteisiin liikennepolttoainekäytön lisäksi. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 17.)
Biokaasua syntyy kaatopaikoilla, kun yhdyskunta- ja teollisuusjätteiden eloperäinen aines hajoaa vuosikymmenten kuluessa ja muuttuu biokaasuksi. Suurilla kaatopaikoilla muodostuva biokaasu voidaan kerätä suurimmaksi osaksi talteen kaatopaikkapumppaamoilla ja hyödyntää energiantuotannossa, jolloin metaanipäästöt vähenevät huomattavasti. Biokaasua tuotetaan myös reaktorilaitoksissa, jotka toimivat Suomessa yhdyskuntien ja teollisuuden jätevedenpuhdistamoilla, maatiloilla, sekä biojätteen käsittelylaitoksilla. (Huttunen et al. 2017a, 19.) Saksalaisessa biokaasuntuotannossa
käytetään raaka-aineena pääasiassa biokaasun tuotantoon kasvatettua säilörehumaissia edullisten tuotantokustannusten vuoksi. Säilörehumaissin käytöstä biokaasuntuotannossa kuitenkin aiheutuu negatiivisia sivuvaikutuksia, kuten biodiversiteetin vähenemistä ja maan eroosiota. (Aubuger et al. 2016.)
Biokaasuntuotanto jätteistä on ympäristöystävällinen vaihtoehto, sillä biokaasu sisältää metaania samoin kuin fossiilinen maakaasu. Siksi sillä voidaan korvata maakaasua ja samalla vähentää kasvihuonekaasupäästöjä, sekä edistää ravinteiden kiertoa. (Motiva 2017.) Tuotannosta syntyvän mädätysjäännöksen ravinteet voidaan hyödyntää lannoitteena. Tällä saavutetaan isoja energiansäästöjä ja ympäristöetuja, jos mädätysjäännöksen ravinteilla korvataan epäorgaanisia lannoitteita. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 18.) Biokaasun tuottamisella jätteistä voidaan myös vähentää metaanin syntymistä ja vapautumista ilmakehään kaatopaikoilla. Näin voidaan myös välttää ongelmia, joita ilmenee kasvatettujen kasvien käytöstä biokaasun tuotantoon, esimerkiksi maankäytön aiheuttamat päästöt ja ravinnoksi soveltuvien kasvien käyttö energiantuotantoon.
Tässä kandidaatintyössä perehdytään biohajoavien jätteiden mädätyksellä tuotettuun biokaasuun ja sen hyödyntämisen mahdollisuuksiin eri tahoilla. Työn tavoitteena on selvittää kerätyn kirjallisuustiedon avulla biokaasun potentiaalia energiantuotannossa ja liikennepolttoaineena. Tavoitteena on myös selvittää biokaasun tuotannon potentiaalia eri maissa ja selvittää potentiaalisimpia biokaasun lähteitä. Työn tutkimuskysymyksiä ovat, kuinka paljon eri jätteistä saadaan tuotettua biokaasua kussakin maassa ja kuinka paljon tuotetusta biokaasusta saadaan energiaa. Tutkimusmenetelmänä käytetään kirjallisuuskatsausta.
Työ rajataan biokaasun tuotantoon jätteiden mädätyksellä biokaasulaitoksissa. Kasvatettua massaa, kuten säilörehumaissia biokaasun tuotantoa varten ei oteta huomioon. Lisäksi esitetään kerättyjen kirjallisuustietojen pohjalta tehtyjen laskelmien avulla biokaasun osuuksia esimerkkimaiden energian ja uusiutuvan energian tuotannossa. Työssä hyödynnetään Suomea, Saksaa ja Intiaa esimerkkimaana, koska ne edustavat erilaisia olosuhteita esimerkiksi kehityksen kannalta. Suomen päästöt ovat pienet verrattuna Saksaan ja Intiaan, mutta asukasta kohden päästöt ovat Suomessa ja Saksassa Intiaa suuremmat. Siksi
onkin mielenkiintoista nähdä, kuinka suuri potentiaali biokaasulla on maiden energiantuotannossa.
2 BIOKAASUN TUOTANTO JÄTTEIDEN MÄDÄTYKSELLÄ
Biokaasulaitoksissa käsittelyssä oleva jäte suljetaan anaerobiseen reaktoriin. Prosessissa elää lämpötilaoptiminsa mukaan erilaisia mikrobikantoja, jotka käyttävät ravinnokseen syöteseoksessa olevaa orgaanista ainetta ja sen hajoamistuotteita. (Latvala 2009, 29.) Reaktorin lämpötila on mesofiilinen, eli 35-43°C, tai termofiilinen, eli 50-55 °C.
Biokaasulaitokset toimivat pääsääntöisesti anaerobisina märkä- tai kuivaprosesseina. Ero näiden prosessien välillä on syöttömateriaalien kuiva-ainepitoisuus. Raaka-aineet ja tavoitteet, jotka prosessille on asetettu, vaikuttavat huomattavasti koko biokaasulaitoskonseptiin. Jätevesille ja kiinteille materiaaleille soveltuvissa reaktorimalleissa on paljon eroja. Jätteille, joiden kiintoainepitoisuus on korkea, käytetään usein täyssekoitus- tai tulppavirtausreaktoria. Jätevesien käsittelyssä käytössä ovat erilaiset korkeakuormitteiset reaktorit, kuten lietepatjareaktorit ja kantaja-ainereaktorit.
Lietepatjareaktoreissa anaerobiset mikrobit muodostavat laskeutuvia granuloita, jotka säilyvät reaktorissa pidempään kuin käsiteltävä jätevesi. Kantaja-ainereaktoreissa mikrobit kiinnittyvät reaktorin sisällä olevaan kantaja-aineeseen, joten niiden retentio-, eli viipymäaika reaktorissa on pienempi kuin jätevedellä. (Kymäläinen & Pakarinen 2016, 11, 64.) Seuraavissa alakappaleissa selvitetään kuivien ja märkien tuotantoprosessien toimintaperiaatetta, sekä mesofiilisten ja termofiilisten mädätysprosessien ominaisuuksia.
2.1 Panos- ja jatkuvatoiminen kuivaprosessi
Kuivaprosesseja on kahdenlaisia: panostoimisia ja jatkuvatoimisia. Molemmat prosessit operoidaan 20-40 % kuiva-ainepitoisuuksissa. Panostoimisessa kuivaprosessissa panosreaktorin täyttö tapahtuu kerralla, jonka jälkeen syötetyn panoksen annetaan hajota tietty aika ennen reaktorin tyhjentämistä. Aiemmasta prosessista peräisin olevaa mädätysjäännöstä sekoitetaan syöttömateriaaliin mikrobiympiksi. Prosessissa käsiteltävän massan läpi suodattuu nestettä, jota kierrätetään panosmassan päälle sumuttamalla. Tällöin
mikrobisto kierrättyy ja prosessin kosteustasapaino on säädeltävissä. Samalla voidaan säädellä myös hajoamista ja syntyvän kaasun määrää. Panostoimisessa kuivaprosessissa kaasuntuottoa on mahdollista tasata käyttämällä useita panosreaktoreita sarjassa niin, että panoksia on aina täytössä, kaasuntuotossa ja tyhjennettävänä. Jatkuvatoimiset prosessit ovat yleisempiä, ja niitä pidetään yleisesti tehokkaampina, kuin panosprosesseja. Syötteen hajoamisprosessia on vaikeampaa hallita panostoimisessa kuivaprosessissa kuin märkäprosessissa. Mädätysjäännös on myös usein huonosti hajonnutta ja epätasalaatuista.
Prosessin mädätysjäännöksen jatkokäsittelyksi suositellaan usein aumassa tapahtuvaa kompostointia. Aumakompostoinnilla jäännöksen typestä hukataan kuitenkin suuri osa, jonka lisäksi siitä aiheutuu haitallisia ammoniakkipäästöjä. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 87.)
Jatkuvatoimisen kuivaprosessin perustana on tulppavirtaus. Tulppavirtauksessa syöttömateriaali syötetään sylinterin muotoisen, vaakatasossa olevan reaktorin toisesta päästä. Sylinterin sisällä massaa liikutetaan, ja prosessin aikana syntynyt mädätysjäännös puretaan toisesta päästä. Prosessin jo läpikäynyttä mädätysjäännöstä lisätään merkittävä määrä syöttöön mikrobiympiksi. Vaihtoehtoisesti prosessista suotautuvaa nestettä tai jäännöksestä erotettua nestejaetta kierrätetään. Tämän avulla myös mikrobisto, jota tarvitaan hajottamisessa, kierrättyy ja samalla säädetään prosessin kuiva-ainepitoisuutta. Reaktorissa tulee optimoida nesteiden kierrättäminen, ettei esimerkiksi prosessin typpipitoisuus nouse inhiboivalle tasolle, jolloin biokaasun ja metaanin tuotto alenee. Jatkuvatoimisia kuivaprosesseja käytetään pääasiallisesti suurissa laitoksissa yhdyskuntien biojätteiden ja muiden samankaltaisten materiaalien käsittelyssä. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 86.)
Alla olevassa kuvassa 1 näkyy jatkuvatoimisen tulppavirtausreaktorin yksinkertaistettu toimintaperiaate.
Kuva 1. Tulppavirtausreaktorin toimintaperiaate. (Lähde: Strabag)
Sellaisenaan jatkuvatoimisen kuivaprosessin mädätysjäännös voi olla lannoitekäyttöön sopimatonta riippuen jäännöksen soveltuvuudesta markkinoilla oleviin levityslaitteisiin.
Mädätysjäännös voi olla lietemäistä, eikä tällöin pysy kasalla, tahmaista, vain osittain hajonnutta, sekä haastavasti varastoitavaa. Tämän vuoksi sen jatkokäsittely on välttämätöntä. Jatkokäsittelynä voi toimia joko mekaaninen separointi kuiva- ja nestejakeeseen, tai sekoittaminen tukijakeeseen, ja jälkikompostointi, jolloin se ei vastaa ominaisuuksiltaan enää biokaasuprosessin jäännöstä. Vaihtoehtoisesti mekaanisesta separoinnista kuiva- ja nestejakeeseen ei ole kokemuksia. Merkittävänä kehityskohteena onkin mädätysjäännöksen käyttökelpoisuuden parantaminen jatkuvatoimisille kuivaprosesseille edullisin ja toimivin keinoin. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 86.)
2.2 Jatkuvatoiminen märkäprosessi
Märkäprosesseissa syötteen kuiva-ainepitoisuus on tyypillisesti välillä 5-15 %. Ne toimivat yleisesti jatkuvatoimisina. Jatkuvatoimisessa märkäprosessissa täyssekoitteinen reaktori on muodoltaan sylinterimäinen ja sisältöä sekoitetaan mekaanisesti lapasekoittimilla.
Laitoksessa tuotettua biokaasua käytetään hyödyksi puhaltamalla se reaktorin pohjaan
asennettujen venttiilien kautta. Tämä sekoittaa reaktorin sisällä olevaa massaa. Sekoituksella pyritään siihen, että reaktorin sisältämä massa pysyy tasalaatuisena, tasalämpöisenä ja syötteen ja mikrobiston välinen kontakti on hyvä. Syntynyt biokaasu vapautetaan reaktorin yläosassa sijaitsevaan kaasutilaan. Edellä mainitulla toimintatavalla voidaan varmistua siitä, että reaktoriin syötetyt materiaalit hajoavat halutulla tavalla. Jos biokaasu ohjataan sähkön ja lämmön, tai pelkän lämmön tuotantoon, reaktori voi myös hyödyntää biokaasulaitoksen itse tuottamaa lämpöenergiaa, jonka avulla lämpötila pidetään halutulla tasolla. Reaktorin syöttö ja mädätysjäännöksen poistaminen tapahtuvat jatkuvatoimisesti tai tietyin säännöllisin väliajoin. Mädätysjäännöstä poistuu syöttöjen yhteydessä joko pumppaamalla tai painovoiman seurauksena. Tällöin reaktorissa olevan massan tilavuus säilyy vakiona.
(Kymäläinen & Pakarinen 2015, 83-84.)
2.3 Mesofiilinen ja termofiilinen mädätysprosessi
Mesofiilisella ja termofiilisella mädätysprosessilla on muutamia oleellisia eroja.
Mesofiilinen prosessi vaatii vähemmän energiaa kuin termofiilinen, sillä reaktorin lämpötila on alhaisempi. Se on myös helpommin hallittavissa termofiiliseen prosessiin verrattuna.
Mesofiilinen prosessi vaatii myös suuremman reaktoritilavuuden, sillä prosessi on pidempikestoisempi. Investointikustannukset ovat tästä syystä myös suuremmat.
(Gebreeyessus & Jenicek 2016.)
Termofiilisen prosessin hyötynä on suurempi kaasuntuotto nopeamman reaktion vuoksi.
Metaanipitoisuus on tässä korkeampi ja rikkivetypitoisuus on pienempi. Reaktorin tilavuus on pienempi, ja prosessi on lyhytkestoisempi mesofiiliseen verrattuna. Korkeamman lämpötilan ansiosta lietteen bakteeripitoisuus on alhaisempi ja taudinaiheuttajat tuhoutuvat paremmin. Reaktorissa muodostuu myös vähemmän vaahtoa. Termofiilinen prosessi kuluttaa kuitenkin enemmän lämpöenergiaa ja vaatii tarkan lämpötilansäädön, sillä se on herkkä lämpötilan äkilliselle vaihtelulle. Prosessin vakaus ja hallittavuus on haastavampaa termofiilisissä reaktoreissa mesofiilisiin reaktoreihin verrattuna. Syynä tähän ammoniakkipitoisuuden nousu termofiilisessä prosessissa, joka puolestaan inhiboi prosessin kannalta tärkeitä mikro-organismeja. Ammoniakkipitoisuuteen vaikuttavat syötteen happamuus ja lämpötila. (Gebreeyessus & Jenicek, 2016.) Ammoniakki on mikrobeille
olennainen typpiravinne. Sen keskeisenä lähteenä toimivat ureaa ja proteiinia sisältävät syötteet. Ammoniakki on liuoksessa joko liuenneena vapaana ammoniakkina, tai ammoniumionina, joiden määrä riippuu liuoksen happamuudesta ja lämpötilasta. Syötteen ollessa hyvin typpipitoista, on riskinä jo aiemmin mainittu ammoniakki-inhibitio. Erityisesti ongelmia aiheutuu, jos syötteen typpipitoisuus kasvaa äkillisesti. Tämä johtuu siitä, että prosessi on hidas adaptoitumaan korkeille ammoniakkipitoisuuksille. Typpipitoisia syötteitä ovat muun muassa sian- ja kananlanta, sekä teurasjätteet. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 68.)
Biokaasuprosessissa syntyvän lietteen hyödyntämisen kannalta termofiilinen mädätys on parempi vaihtoehto mesofiiliseen verrattuna, sillä termofiilinen mädätys hygienisoi lietteen riittävälle tasolle. Liete, joka on mädätetty mesofiilisesti, joudutaan hygienisoimaan toisin.
Energiataloudellisesta näkökulmasta katsottuna on perustellumpaa mädättää liete niin pitkälle kuin mahdollista ja talteenottaa energiaa, kuin esimerkiksi lietteen kompostointi, jolloin siitä ei saada energiahyötyä. (Kangas et al. 2011, 8.)
3 JÄTTEET BIOKAASUN LÄHTEINÄ
Biokaasua syntyy, kun anaerobiset bakteerit hajottavat orgaanisen biomassamateriaalin biokaasuksi neljässä seuraavassa vaiheessa: hydrolyysi, happokäyminen, eli asidogeneesi, etikkahapon muodostus, eli asetogeneesi ja metaanin muodostuminen, eli metanogeneesi.
Prosessissa syntyvä tuote, raaka biokaasu, koostuu 50-75 % metaanista, 25-50 % hiilidioksidista ja 2-8 % muista kaasuista, kuten typestä, hapesta ja jätekaasuista, kuten rikkivedystä, ammoniakista ja vedystä. (Wellinger & Murphy 2013, 2.) Mädätyksen tuloksena syntyy lisäksi lannoitekäyttöön sopivaa orgaanista mädätysjäännöstä, josta voidaan valmistaa nestemäisiä tai kiinteitä lannoitteita. (Mutikainen et al. 2016.) Biokaasun raaka-aineiden ja tuotannosta syntyvän mädätysjäännöksen sijoituskohteen tulee olla riittävän lähellä biokaasulaitosta. Mädätysjäännöstä syntyy valmistusprosessissa enemmän kuin biokaasua. Ravinteet, kuten typpi, hiili ja fosfori ovat olennainen osa syötteessä mädätysjäännöksen hyötykäytön kannalta.
Tuotannon raaka-aineet valitaan pääsääntöisesti niiden sopivuuden ja saatavuuden perusteella. Raaka-aineiden saatavuus on paikallinen, merkittävä asia, joka vaikuttaa suuresti biokaasulaitoksen toiminnan kannattavuuteen, ja siihen, että biokaasulaitos voi toimia ilman häiriöitä ja keskeytyksiä ympäri vuoden. Soveltuvuutta arvioidaan orgaanisen aineen määrän, metaanintuottopotentiaalin, kuiva-ainepitoisuuden, hiili/typpi-suhteen (C/N) ja/tai ravinne- ja hivenainekoostumuksen perusteella. Mitä suurempi VS/TS-suhde (Volatile Solids/Total Solids), ja mitä helpommin hajoavaa VS-aines on, sitä paremmin syöte sopii prosessiin ja sitä järkevämpää biokaasutuotanto on. Eri raaka-aineita on mahdollista käyttää syöteseoksena yhteiskäsittelyssä, jolloin voidaan saavuttaa optimaaliset olosuhteet, johon syötteellä yksinään ei olisi mahdollisuuksia. Raaka-aineen sopivuutta arvioidessa tehdään laboratorioanalyysejä ja testejä. Tavallisia syöteanalyysejä ovat pH, TS, VS, kemiallinen hapenkulutus, typpi (N) ja hiili (C), sekä metaanituottotesti. (Kymäläinen & Pakarinen 2016, 22)
Jätteitä biokaasun lähteinä ovat muun muassa kotitalouksien ja teollisuuden biojätteet, yhdyskuntien jätevesilietteet, teurasjätteet, maataloustuotteiden jätteet, sekä sian, naudan ja siipikarjan lanta. Metaanintuottopotentiaali kertoo suurimman raaka-aineesta saatavan metaanikaasun määrän orgaanisen aineen painoyksikköä kohti. (Mutikainen et al. 2016) Kahiluoto et al. (2011) suorittamassa tutkimuksessa selvitettiin maatalouden elintarvikejätteiden ja sivutuotteiden käyttämätöntä potentiaalia energian talteenottoon ja ravinteiden kierrätykseen. Tutkimuksen pohjalta mukaillusta alla olevasta taulukosta 1 nähdään eri biokaasunlähteiden kuiva-ainepitoisuuksia, orgaanisen ja kuiva-aineen suhteet, biokaasupotentiaali, sekä jätteiden sisältämiä ravinnepitoisuuksia.
Taulukko 1. Eri biokaasunlähteiden ominaisuuksia. (Kahiluoto et al. 2011)
Ravinteet
% TS
Biomassatyyppi TS % VS % TS Biokaasu
𝐦𝟑/tVS C N P
Nestemäinen nautakarjan lanta 6 80 375 45 5,5 0,9
Nestemäinen sian lanta 5 78 482 30 11 3
Kiinteä nautakarjan lanta 19 74 300 46 2,4 0,8
Kiinteä sian lanta 24 80 360 43 2,5 1,5
Kiinteä siipikarjan lanta 38 77 450 38 3,1 1,5
Muut kiinteät lannat 32 60 420 45 2,5 1,5
Teurasjäte 42 80 950 56 8,0 1,0
Yhdyskuntabiojäte 32 75 500 48 2,0 0,4
Yhdyskuntajätevesiliete 12 69 450 35 4,0 2,5
Seuraavissa alakappaleissa tarkastellaan erilaisia jätteitä ja lasketaan kustakin jätteestä syntyvä metaanin määrä esimerkkimaissa. Taulukko 1:n kuiva-aineen ja orgaanisen aineksen pitoisuuksien perusteella voidaan laskea, kuinka monta kuutiota biokaasua kustakin biomassatyypistä syntyy aineen painoyksikköä kohti. Ne on laskettu liitteessä 1.
3.1 Kotitalouksien ja teollisuuden biojätteet
Yhdyskuntabiojäte on kotitalouksissa, kouluissa ja palvelutoiminnoissa, kuten kaupoissa ja ravintoloissa, syntyvää biohajoavaa jätettä, jota voidaan käyttää biokaasun tuotannossa. Se koostuu tyypillisesti ruoantähteistä, paperista, keittiöbiojätteestä ja puutarhajätteestä.
Biojätteen koostumus kuitenkin vaihtelee ja on normaalia, että myös yhdyskuntabiojätteen biokaasuntuotto vaihtelee. Metaanintuotot vaihtelevat 350-500 m /tVS välillä ja metaanipitoisuus välillä 50-60 %. (Kymäläinen & Pakarinen 2016, 40.)
Luonnonvarakeskuksen Biomassa-atlas karttapalvelun mukaan Suomessa syntyy erilliskerättyä yhdyskuntabiojätettä noin 383 000 tonnia vuodessa. Tiedot pohjautuvat vuoden 2017 asukastietoihin ja keskimäärin asukasta kohti syntyvään biojätemäärään.
Asukasluku Suomessa vuonna 2017 oli 5,5 miljoonaa (World Bank). Tämän perusteella voidaan laskea, että yksi suomalainen tuottaa biojätettä vuosittain noin 70 kg.
Saksassa syntyi vuonna 2015 erilliskerättyä biojätettä noin 4,57 miljoona tonnia (BMU 2018). Asukasluku vuonna 2015 oli 81,686 miljoonaa (World Bank). Yhtä saksalaista kohden muodostuu erilliskerättyä biojätettä noin 56 kilogrammaa vuodessa.
Intiassa yksi asukas tuottaa päivittäin jätettä 0,20 kg – 0,60 kg (Ghosh & Di Maria 2018).
Yksi intialainen tuottaa siis ylipäätään jätettä noin 73-218 kilogrammaa vuodessa. Jätehuolto ja jätteiden kierrätys ovat kuitenkin toistaiseksi heikolla tasolla. Intian asukasluku vuonna 2017 oli 1,339 miljardia (World Bank). Vuodessa asukkaat tuottavat siis noin 195 megatonnia jätettä. Joshin ja Ahmedin (2016, 5) kirjoittaman artikkelin mukaan biohajoavan jätteen osuus yhdyskuntajätteestä oli Intiassa 42,51 % vuonna 2011. Täten voidaan karkeasti arvioida, että Intiassa muodostuu biohajoavaa jätettä noin 82,8 miljardia kilogrammaa vuodessa, joka tekee yhtä asukasta kohden noin 62 kilogrammaa. Tämä on kuitenkin vain arvioitu muodostuva biojätteen määrä. Suomen ja Saksan kohdalla luvut perustuvat erilliskerätyn biojätteen määrään. Todennäköisesti Intiassa yhdyskuntabiojätteen määrä on paljon pienempi yhtä asukasta kohden, mutta alhaisen jätteiden kierrätysprosentin vuoksi pelkän yhdyskuntabiojätteen määrää on haastava arvioida.
Taulukkoon 2 on merkitty vuosittain syntyvän biojätteen määrä ja siitä saatava biokaasun ja metaanin määrä kuutiometreissä esimerkkimaissa Laskuissa on oletettu biojätteen koostumuksen olevan esimerkkimaissa sama. Syntyvästä biokaasusta 55 % on metaania (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 41). Intian kohdalla lasketut arvot eivät ole peräisin erilliskerätystä yhdyskuntabiojätteestä, vaan ne koskevat siellä syntyvää sekajätteeseen päätyvää biohajoavaa jätettä.
Taulukko 2. Esimerkkimaissa vuosittain syntyvän biojätteen määrä ja sitä saatava biokaasu sekä metaani.
Biokaasun määrä on laskettu kertomalla maassa vuodessa syntyvän biojätteen määrä yhdyskuntabiojätteestä saatavan biokaasun määrällä, joka on 0,12 m3 kilogrammaa kohden.
Suomi Saksa Intia
Biojäte [miljoona tonnia/vuosi] 0,38 5 83
Biokaasu [miljoona 𝐦𝟑/vuosi] 46 550 9950
Metaani [miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi]
25 300 5470
Liitteessä 1 esitetään tarkemmin eri biomassatyyppien kuiva-aine- ja ravinnepitoisuudet, sekä syntyvän biokaasun määrä eri yksiköitä kohti. Metaanin määrän laskennassa on oletettu yhdyskuntabiojätteestä mädättämällä tuotetun biokaasun metaanipitoisuudeksi 55 %.
3.2 Tuotantoeläinten lanta
Tuotantoeläimet, jota tässä tarkastellaan, ovat nautakarja, siat ja siipikarja. Rajalan julkaiseman teoksen (2006, 149) mukaan edellä mainitun karjan lanta sisältää sontaa, virtsaa, kuiviketta, vettä ja rehuja. Sonnassa on pää-, sivu- ja hivenravinteita, kuten hiiltä, typpeä, vetyä, fosforia ja rautaa.
Suomessa tuotantoeläinten tuottamasta lannan määrästä suurin osa on lietelantaa, loput ovat kuivia lantoja ja virtsaa. Lietelanta on lietemäistä juoksevaa ja pumpattavaa lantaa. Sen kuiva-ainepitoisuus on tavallisesti alle 15 %. Kuivien lantojen joukkoon kuuluvat kuivikepohjalanta, kuivikelanta, sekä virtsasta kerätty kuivalanta. Kuivikepohjalantaan lisätään paljon kuiviketta, johon virtsa imeytyy. Se poistetaan eläinsuojasta noin 1-2 kertaa vuodessa. Kaikista lannoista määrällisesti eniten syntyy naudanlantaa, mutta myös sikatiloilta syntyvän lannan määrä on suuri. (Luostarinen et al. 2019.) Taulukossa 3 esitetään eri lantojen kuiva-aineksen ja orgaanisen aineksen pitoisuuksia, ja niiden mädättämisestä muodostuvan biokaasun määrä painoyksikköä kohden.
Taulukko 3. Erityyppisten lantojen ominaisuuksia, ja syntyvän biokaasun määrät kilogrammaa lantaa kohden.
Biomassatyyppi TS % VS % TS Biokaasu 𝐦𝟑𝐧/tVS
Biokaasu 𝐦𝟑𝐧 /tTS
Biokaasu 𝐦𝟑𝐧 /kg Nestemäinen
nautakarjan lanta 6 80 375 300
0,018
Nestemäinen sian lanta 5 78 482 375,96
0,018798 Kiinteä nautakarjan
lanta 19 74 300 222
0,04218
Kiinteä sian lanta 24 80 360 288
0,06912
Kiinteä siipikarjan lanta 38 77 450 346,5
0,13167
Taulukossa 4 esitetään tuotantoeläinten lukumäärä eri maissa, ja yhden eläimen tuottama liete- ja kuivikelannan määrä vuodessa.
Taulukko 4.Eläinten lukumäärä eri maissa ja niiden tuottama kuivike- ja lietelannan määrä vuodessa.
Taulukkoon 5 on koottu eri lantojen keskimääräiset tilavuuspainot yhtä kuutiometriä kohden. Laskenta on rajattu ainoastaan kuivike- ja lietelannan tarkasteluun. Lannan määrä kuutiometreissä (taulukko 4) on muutettu kilogrammoiksi kertomalla ne eri lantojen tilavuuspainojen keskiarvolla.
Taulukko 5. Eri lantojen tilavuuspainoja. (Mukaillen: Eurofins)
Eläin Lantalaji Tilavuuspaino kg/𝐦𝟑 Keskiarvo
Nauta Kuivikelanta 737,5
Nauta Liete 991
Sika Kuivikelanta 633,8
Sika Liete 993,5
Kana Kuivikelanta 582,6
Alla olevassa taulukossa 6 nähdään eri eläinten lannasta vuodessa syntyvä metaanin määrä kuutiometreissä esimerkkimaittain. Kuivike- ja lietelannasta saatava biokaasu on laskettu
Lukumäärä [kpl]
Liete [𝐦𝟑𝐧
/eläin/v]
Kuivike [𝐦𝟑𝐧
/eläin/v]
Liete [kg/eläin/v]
Kuivike [kg/eläin/v]
Eläin Suomi Saksa Intia
Nauta 858000 11949090 190900000 25,50 35,80 25270,50 26402,50 Sika 1089000 58730000 10300000 2,40 3,80 2384,40 2408,44
Siipikarja 14140000 105000000 729200000 - 0,03 - 17,48
Lähde:
Luke 2018
Nauta:Eurostat 2018a.
Sika: Eurostat 2018b.
Siipikarja:
German livestock
Government of India 2012
Ympäristöminsteriö 2013
kertomalla vuosittain muodostuvan lannan määrä taulukossa 3 esitetyn kuivike- ja lietelannasta saatavan biokaasun määrällä kilogrammaa kohden. Laskennassa on oletettu lannan mädättämisestä muodostuvan biokaasun metaanipitoisuuden olevan 60 % (Motiva 2013, 10). On myös oletettu, että koko siipikarjan lannan kuivikepitoisuus on sama kuin kananlannalla.
Taulukko 6. Eläinten lannasta saatava metaanin määrä yhteensä vuodessa esimerkkimaissa.
Eläin
Suomi [miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi]
Saksa [miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi]
Intia [miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi]
Nauta
Kuivike- ja
lietelanta 783 10903 174200
Sika
Kuivike- ja
lietelanta 109 5868 1030
Siipikarja Kuivikelanta 0,034 0,249 2,9
Yhteensä 892 16771 175232
3.3 Teurasjätteet
Korkea orgaanisen aineksen pitoisuus, joka koostuu pääasiassa proteiineista ja rasvoista, on ominaista teurastamosta syntyville jätteille. Johtuen korkeasta proteiini- ja rasvapitoisuudesta, teurasjätettä voidaan pitää hyvänä substraattina anaerobiselle hajoamisprosessille odotettavissa olevien suurten metaaninsaantojen vuoksi. Eläinperäisten tuotteiden käsittelyssä on kuitenkin raportoitu hitaita hajoamisnopeuksia. Vaikeasti hajoavien hiukkasmaisten materiaalien hydrolyysin tulee olla kytkeytynyt hydrolyyttisten bakteerien kasvuun. Tämä tekijä voi vaikuttaa rajoittavasti kokonaishajoamisnopeuteen.
Lisäksi lipidit, eli rasva-aineet, jotka liukenevat heikosti veteen, saattavat aiheuttaa vaahtoa.
Lipidihydrolyysin aikana muodostuu pitkäketjuisia rasvahappoja, jotka hidastavat hajoamisprosessia. Ammoniakkia syntyy proteiinien hajoamisen aikana, mikä on estävä tekijä metaanin muodostumiselle anaerobisessa hajoamisessa. Edellä mainittujen syiden vuoksi, teurasjätteiden laajamittainen hajotus tapahtuu yhdessä muiden jätteiden, kuten teollisuus-, maatalous- ja yhdyskuntabiojätteiden kanssa biokaasulaitoksissa. (Palatsi et al.
2011.)
Teurastamoista tulevia luokan kaksi sivutuotteita, kuten lantaa, sekä vatsalaukun ja suolen sisältöä voidaan hyödyntää biokaasuntuotantoon. Vatsa- ja suolistoperäistä jätettä tulee ensin painesteriloida 133 °C:ssa, 3 baarin paineessa noin 20 minuuttia, kunnes partikkelikoko on enintään 50 millimetriä. Yhdestä siasta edellä mainittuja biokaasuntuotantoon sopivia sivutuotteita jää noin 10 kilogrammaa, ja naudasta noin 125 kilogrammaa. (Lehto et al. 2015, 8-14.) Broilerin elopaino on noin 2,3 kg, josta käytetään elintarvikkeeksi noin 65 % ja loput 35 % menevät lähinnä turkiseläinten rehuksi (Lihatiedotus). Teurasjätteistä saadun metaanin laskennassa on otettu ainoastaan huomioon sian ja naudan sivutuotteet.
Alla olevassa taulukossa 7 nähdään vuodessa syntyneen biokaasun tuotantoon soveltuvan teurasjätteen määrä eri maissa ja siitä saatavan biokaasun ja metaanin määrä. Laskennassa on oletettu biokaasun metaanipitoisuuden olevan 70 %. Biokaasun saanti on laskettu kertomalla syntyvän teurasjätteen määrä liitteen 1 taulukossa esitetyn teurasjätteestä saatavan biokaasun määrällä kilogrammaa kohden. Liitteessä 3 esitetyssä taulukossa nähdään eri maissa teurastettavien eläinten määrät vuodessa ja yhtä eläintä kohti syntyvän sivutuotteen määrä.
Taulukko 7. Syntyvän teurasjätteen ja siitä saatavan biokaasun ja metaanin määrä vuodessa esimerkkimaittain.
Suomi Saksa Intia
Teurasjätettä yhteensä
[miljoona kg/vuosi] 52 993 507
Biokaasua [miljoona m3/vuosi] 17 317 162
Metaani
[miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi] 12 222 113
3.4 Yhdyskuntien jätevesilietteet
Jätevedet, jotka syntyvät teollisuudessa ja yhdyskunnissa, käsitellään tavallisesti aerobisella aktiivilieteprosessilla, joka edellyttää ilmastusta ja josta syntyy paljon ylijäämälietettä.
Vaihtoehtoisesti jätevettä voidaan käsitellä suoraan anaerobisesti, jolloin sen sisältämästä orgaanisesta aineksesta tuotetaan biokaasua. Reaktorirakenteet ovat korkeakuormitteisilla anaerobiprosesseilla huomattavasti pienempiä kuin konventionaalisilla aerobisilla täyssekoitusreaktoreilla. Korkeakuormitteisten anaerobiprosessien investointikustannukset ovat huomattavasti alhaisemmat. Kun jätevedet hajoavat anaerobisesti, suurin osa yhdisteen energiasisällöstä vapautuu metaanina. Anaerobisessa hajoamisessa glukoosin energia- arvosta 90 % muuttuu metaaniksi. Biomassaa muodostuu vain vähän, ja ylijäämälietteen tuotto anaerobilietteen käsittelyssä on yleisesti vain 10-20 % tavalliseen aerobisen prosessin tuottoon verrattuna. (Kymäläinen & Pakarinen 2016, 13-15.)
Biomassan tuoton ollessa anaerobiprosessissa alhaisempi kuin aerobiprosessissa, ei myöskään fosforia ja typpeä tarvita yhtä paljoa. Lisäksi mikro-organismien kuolemiskerroin on pienempi kuin aerobisten, ja ne tulevat toimeen pitkiä aikoja ilman ravintoa, jonka vuoksi anaerobiset prosessit soveltuvat hyvin kausiluonteisesti muodostuvien jätevesien käsittelyyn, esimerkiksi elintarviketeollisuuteen. (Kymäläinen & Pakarinen 2016, 15-16.) Suomessa jätevesilietteen sisältämää kuiva-ainetta syntyy noin 25,2 kg ja Saksassa noin 22,7 kilogrammaa asukasta kohden vuodessa (Guthjahr & Müller-Schapher 2018, 7). Tämä tekee vuodessa yhteensä 138,6 miljoonaa kilogrammaa Suomessa ja 1,85 miljardia kilogrammaa Saksassa. Orgaanista kuiva-ainetta kohti syntyy metaania puhdistamolietteestä 0,75-1,12 m /kgVS (Kiviluoma-Leskelä 2010, 78). Keskimääräisesti metaania muodostuu siis 0,935 m /kgVS. Alla olevaan taulukkoon 8 on laskettu kussakin maassa vuodessa syntyvä jätevesilietteen orgaanisen kuiva-aineen määrä ja kyseisestä määrästä saatavan metaani kuutiometreissä. Metaanin määrä on laskettu kertomalla kuiva-aineen määrä liitteen 1 taulukossa esitetyn jätevesilietteestä saatavan biokaasun määrällä kuiva-ainekilogrammaa kohden. Metaanin määrän laskemisessa käytetään keskimääräisesti muodostuvan metaanin määrää. Intiassa asukasta kohti syntyvän jätevesilietteen orgaanisen kuiva-aineen määrä on
laskuissa arvioitu olevan pienempi kuin suomalaisilla ja saksalaisilla, noin 15 kg. Määrä on vain arvio puutteellisten tilastotietojen takia.
Taulukko 8. Esimerkkimaissa syntyvän jätevesilietteen orgaanisen aineksen määrä ja metaanintuotto vuodessa.
Suomi Saksa Intia
Kuiva-aines/hlö [kgVS/vuosi] 25,2 22,7 15
Kuiva-aines/koko maa
[miljoona kgVS/vuosi] 139 1854 20085
Metaani
[miljoona 𝐦𝟑 𝐂𝐇𝟒/vuosi /] 130 1734 18779
4 BIOKAASUN TUOTANNON POTENTIAALI ESIMERKKIMAISSA
Biokaasun energiapitoisuutta arvioidessa tärkein tekijä on sen metaanipitoisuus, sillä biokaasun energiasisältö määräytyy metaanipitoisuuden perusteella. Metaani sisältää energiaa 10 kWh/m CH , eli 36 MJ/m CH . (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 32.) Tässä luvussa tarkastellaan esimerkkimaiden nykyisiä pääasiallisia energianlähteitä ja kokonaisenergiankulutuksen osuuksia, sekä lasketaan, kuinka paljon mädätetyistä jätteistä saadaan metaania yhteensä. Lisäksi lasketaan, kuinka suuri metaanista saatavan energian määrä voisi olla kokonaisenergian kulutuksesta ja kuinka monen kaasuauton vuosittaisia tarpeita se vastaisi. Maiden vuosittainen metaaninsaanti jätteistä on laskettu summaamalla 3. luvussa laskettujen eri jätteiden mädätyksellä saatavan metaanin määrä. Metaani on muutettu energiaksi kertomalla se yllä mainitulla energiasisällöllä. Laskuissa ei ole otettu huomioon maakohtaista biokaasun tuotannon kapasiteettia. Oletuksena on, että metaani olisi mahdollista hyödyntää kokonaan energiana ilman häviöitä.
4.1 Suomi
Suomen virallisen tilaston (2018) mukaan Suomessa kokonaisenergiankulutus vuonna 2018 oli noin 389 TWh, joista uusiutuvien energianlähteiden kulutus on noin 100 TWh.
Pääenergianlähteenä käytetään puupolttoaineita, öljyä ja ydinenergiaa. Biokaasun osuus yhdessä teollisuuden reaktiolämmön, kierrätyspolttoaineiden, lämpöpumppujen, aurinko- ja bioenergian ja vedyn kanssa on kuitenkin vain 4 prosenttia kokonaisenergiankulutuksesta.
Suomi valittiin esimerkkimaaksi, sillä Suomessa kotimaisen biokaasun suosio energiantuotannossa ja liikennepolttoaineena on lähtenyt hiljalleen nousuun. Siksi onkin mielenkiintoista selvittää, kuinka suuri paljon potentiaalia hyödyntämättömillä biokaasunlähteillä on. Suomessa tavoitellaan uusiutuvan energian osuuden energian loppukulutuksesta olevan 47% (182 TWh/a) vuonna 2030 (Huttunen 2017b, 31).
Vuonna 2017 Suomessa tuotetun biokaasun määrä oli yhteensä 172,2 miljoonaa kuutiometriä. Edellä mainittu määrä on noin 10 % suurempi vuoden 2016 määrään verrattuna. Biokaasua kuitenkin hyödynnettiin molempina vuosina lähes saman verran.
Sähkön ja lämmön määrä tuotetusta biokaasusta oli yhteensä 698,6 GWh, mikä on noin 0,5
% Suomessa tuotetusta uusiutuvan energian tuotannosta. (Huttunen, et al. 2017a.)
Biokaasua muodostuu Suomessa paljon kaatopaikoilla, joiden yhteyteen rakennetuilla kaasulaitoksilla hyödynnetään kerättyä kaasua. Biokaasua tuotetaan myös yhteismädätyslaitoksilla ja yhdyskuntajätevedenpuhdistamoilla. Kaasun käyttö keskittyy pääasiassa lämmön ja sähkön tuotantoon, mutta biokaasun osuus liikenteessä on kasvanut viime vuosina. Kuten kuvasta 2 voidaan päätellä, biokaasun potentiaalista suurin osa on maataloudessa. Maataloudesta peräisin olevien biomassojen hyödyntäminen on kuitenkin toistaiseksi rajallista korkeiden kustannusten vuoksi. Kalliille laitokselle on ollut haastavaa löytää kannattavaa konseptia ja laitos on haastava saada kannattavaksi, jos esimerkiksi raaka-aineet aiheuttavat kustannuksia. Biokaasun tuotantoa kuitenkin tuetaan verovapauden, biokaasusähkön syöttötariffin, työ- ja elinkeinoministeriön energiatuen, maa- ja metsätalousministeriön maaseudun yritystukien ja maatilojen investointituen kautta.
(Huttunen 2017b, 40-41.)
Tarkasteluun otetuista jätteistä voisi teoreettisesti tuottaa Suomessa metaania yhteensä 1059 miljoonaa kuutiometriä. Alla olevassa kuvassa 2 nähdään eri jätteiden prosentuaaliset osuudet kokonaismetaaninsaannossa.
Kuva 2. Eri jätteiden prosentuaalinen osuus jätteiden metaanin saantiin Suomessa.
Lantaa muodostuu ylivoimaisesti eniten muihin jätteisiin verrattuna. Jätevesilietteen osuus on myös melko korkea, kun taas teurasjätettä ja yhdyskuntabiojätettä syntyy vähän muihin verrattuna. Syntyvistä jätteistä saataisiin energiaa noin 11 TWh vuodessa, jos
energianmuuntohäviöitä ei oteta huomioon. Tämä kattaisi noin 3 % energian
kokonaiskulutuksesta. Jätteistä saatava energia olisi nykyisestä uusiutuvan energian kulutuksesta 11 %. Uusiutuvan energian tavoitteesta vuodelle 2030, biokaasun osuus olisi noin 6 %. Jos oletetaan, että yksi asukas ajaa vuodessa noin 30 000 kilometriä
kaasuautolla, ja auton kulutus on 4 kg/100km (n. 18 300 kW/a), jätteiden mädätyksellä saatava metaani riittäisi noin 580 000 auton tarpeisiin vuodessa. Määrä on laskettu muuttamalla vuosittain syntyvän metaanin määrä kuutiometreissä kilogrammoiksi kertomalla vuosittainen määrä metaanin tiheydellä.
4.2 Saksa
Saksassa tuotettiin biokaasua 9160 miljoonaa kuutiometriä vuonna 2015 (Scarlat et al.
2018a). Saksa onkin merkittävässä roolissa biokaasuntuottajana, sillä vuonna 2015 Saksassa oli toiminnassa 10846 biokaasulaitosta, mikä on eniten koko Euroopassa (Fletcher 2017).
Saksa valittiin esimerkkimaaksi, sillä maassa on eniten biokaasulaitoksia koko Euroopassa.
Biokaasun tuotanto siellä keskittyy kuitenkin pääasiassa kasvatetun säilörehumaissin
Yhdyskuntabiojäte 3 %
Lanta 84 % Teurasjäte
1 %
Jätevesiliete 12 %
käyttöön, joten on kiinnostavaa, kuinka suuri osuus Saksassa syntyvillä jätteillä voisi olla energian tuotannosta. Saksassa pyritään, että uusiutuvan energian osuus kokonaiskulutuksesta olisi 65 % vuoteen 2030 mennessä (IRENA 2015, 7).
Saksan primäärienergiankulutus vuonna 2018 oli 12 963 PJ, eli noin 3600 TWh.
Energianlähteenä käytetään pääasiassa mineraaliöljyä ja maakaasua. Muita energianlähteitä ovat kivihiili, ligniitti, ydinenergia ja uusiutuva energia. Vuonna 2018 uusiutuvaa energiaa käytettiin noin 14 % kokonaiskulutuksesta, eli 504 TWh. Biomassan osuus uusiutuvien energialähteiden primäärienergian kulutuksesta on Saksassa noin 53,6 %, ja se koostuu monipuolisesti kiinteistä, nestemäisistä ja kaasumaisista polttoaineista. Puu tukkien, hakkeen, pelletin tai briketin muodossa on kuitenkin tärkein lähde uusiutuvan energian tuotannossa ja kattaa yli puolet biomassan osuudesta. Nestemäisillä uusiutuvilla polttoaineilla, kuten palmuöljyllä, biodieselillä ja bioetanolilla on vain toissijainen asema muihin verrattuna. Biokaasua käytetään yleensä paikan päällä biokaasulaitoksissa, joissa on yhdistetty lämmön- ja sähköntuotantolaitos, tai vaihtoehtoisesti se vapautetaan epäpuhtauksista käsittelylaitoksissa ja syötetään kaasuverkkoon biometaanina. (AGEB 2018, 5, 43.)
Saksassa olisi teoriassa mahdollista tuottaa jätteistä noin 19 275 miljoonaa kuutiometriä.
Suurin potentiaali metaanin tuotannossa määrällisesti on lannan mädätyksellä. Kuvassa 3 nähdään tarkasteltujen jätteiden osuuksia Saksan biokaasuntuotannossa.
Kuva 3. Eri jätteiden prosentuaalinen osuus metaanin saantiin Saksassa.
Yhdyskuntabiojäte 3 %
Lanta 84 % Teurasjäte
1 %
Jätevesiliete 12 %
Syntyvien jätteiden mädätyksellä saataisiin energiaa noin 193 TWh vuodessa, jos
energianmuuntohäviöitä ei oteta huomioon. Näin tuotetun energian osuus Saksan energian kokonaiskulutuksesta olisi noin 5 %. Uusiutuvan energian osuus tämän hetkisestä
kulutuksesta olisi 38 %. Saksan uusiutuvan energian tavoitteesta vuodelle 2030 biokaasun osuus olisi 8 % uusiutuvan energian tuotannosta kulutuksen pysyessä samana.
Laskennallisesti metaani riittäisi noin 10 miljoonan kaasuauton vuosittaiseen tarpeeseen.
4.3 Intia
Intiassa biokaasuntuotanto on tällä hetkellä noin 2,07 miljardia kuutiometriä vuodessa.
Määrä on kuitenkin alhainen suhteessa potentiaaliin, jonka on arvioitu olevan jopa 29-48 miljardia kuutiometriä vuodessa. Kaupunkialueilla anaerobisen jätteiden mädätyksen osuus on hyvin pieni, johtuen mädätyslaitosten korkeista pääomakustannuksista ja alhaisista tulojen kasvunäkymistä verrattuna muihin kilpaileviin jätteenkäsittelytekniikoihin. Vuonna 2013 Intiassa on ollut toiminnassa vain 56 biokaasuun pohjautuvaa voimalaitosta. (Mittal et al. 2018.)
Intia on maailman toiseksi suurin kivihiilentuottaja maailmassa heti Kiinan jälkeen ja tällä hetkellä uusiutuvan energian osuus kokonaisenergiantuotannosta on 37 % (Energy Atlas 2017). Maassa syntyy kolmanneksi eniten kasvihuonekaasupäästöjä koko maailmassa. Intia on sitoutunut vähentämään päästöjä ja pyrkii siihen, että uusiutuvan energian osuus maan energiantuotannosta olisi vähintään 40 % vuoteen 2030 mennessä. Tavoitteena on lisätä 500 GW uusiutuvaa energiaa sähköverkkoon vuoteen 2030 mennessä. Uusiutuvan energian lisäämisen taustalla on kaupunkien ilman puhdistaminen ja nopeasti kasvavan talouden hiiliriippuvuuden vähentäminen. (IEEFA 2019.)
Uusiutuvan energian lisäämisellä olisi mahdollista vähentää saastuttavan kivihiilen käyttöä energiantuotannossa, ja samalla vähentää maan kasvihuonekaasupäästöjä. Intia valikoitui esimerkkimaaksi, sillä maan suuria kasvihuonekaasupäästöjä tulisi vähentää, ja on mielenkiintoista selvittää, kuinka suuret mahdollisuudet jätteistä tuotetulla biokaasulla olisi energian tuotannossa. Intiassa energiankulutus vuonna 2018 oli noin 10800 TWh (Global
Energy Statistical Yearbook 2019). Uusiutuvan energian tuotanto on kokonaistuotannosta laskettuna noin 3998 TWh uusiutuvan energian osuuden ollessa 37 %.
Kappaleessa 3 lasketuista jätteistä Intiassa olisi mahdollista tuottaa metaania noin 199 600 miljoonaa kuutiometriä. Tästä määrästä metaania pystyisi ideaalitilanteissa tuottamaan energiaa noin 1996 TWh. Kuvasta 4 nähdään, että metaania saataisiin eniten eläinten lantaa mädättämällä.
Kuva 4. Eri jätteiden prosentuaalinen osuus metaanin saantiin Intiassa.
Muilla jätteillä ei ole kovin suurta vaikutusta suhteessa lantaan. Teurasjätteen osuus muihin verrattuna on lähes olematon, vaikka sitä syntyy paljon. Intiassa teurastamojen jätehuoltojärjestelmä on erittäin huono, ja teurasjätteiden tehokkaaseen käsittelyyn ollaan vasta ryhtymässä (Jayathilakan et al. 2012). Syntyneen biokaasun teoreettinen osuus voisi olla 18 % kokonaisenergiankulutuksesta vuodessa. Nykyisestä uusiutuvan energian tuotannossa metaanista saadun energian osuus voisi olla jopa 50 %. Uusituvan energian vuoden 2030 tavoitteesta biokaasulla voitaisiin tuottaa energiaa 46 %. Jätteiden mädätyksellä tuotetun biokaasun metaani riittäisi noin 109 miljoonan kaasuauton vuosittaiseen tarpeeseen.
Yhdyskuntabiojäte 3 %
Lanta 88 % Teurasjäte
0 %
Jätevesiliete 9 %
5 BIOKAASUN KÄYTTÖ
Biokaasun käyttö on yleistynyt voimakkaasti fossiilisten polttoaineiden korvaajana sähkön ja lämmön tuotannossa, sekä yleistymässä myös tieliikenteessä. NREAP:n (National Renewable Energy Action Plan) toimintasuunnitelman yhteenlaskettujen tietojen mukaisesti biokaasun käytön sähköön, lämmitykseen ja jäähdytykseen, sekä liikenteen biopolttoaineisiin on arvioitu kasvavan Euroopassa vuonna 2005 olleesta 71 PJ:stä ja vuonna 2012 olleesta 264,9 PJ:stä 433,5 PJ:een vuonna 2020. Tästä saataisiin 189,5 PJ lämpöä, 63,4 TWh (230.1 PJ) sähköä ja jopa 13,9 PJ biokaasua liikenteen polttoaineeksi. (Scarlat et al.
2018b.) Seuraavaksi esitetyt alakappaleet perehdyttävät biokaasun käyttöön tieliikenteessä ja sähkön ja lämmön tuotannossa.
5.1 Biokaasun puhdistus ja jalostus
Lämmitykseen ja sähkön-, sekä liikennepolttoainetuotantoon käytettävä biokaasu tulee normaalitoiminnassa puhdistaa epäpuhtauksista. Puhdistuksen tavoitteena on vähentää ympäristöön päätyviä haitallisia päästöjä. Kaasussa olevia epäpuhtauksia ovat vesihöyry, rikkiyhdisteet, halogenoidut hiilivedyt, ammoniakki, siloksaanit, hiukkaset ja happi.
Inerttejä kaasuja, kuten hiilidioksidia ja typpeä, ei tarvitse puhdistaa, sillä ne eivät ole epäpuhtauksia, eli niistä ei aiheudu haitallisia päästöjä, eikä ongelmia energian tuotantolaitteille. Puhdistusprosessi kohdistuu vähintään vesihöyryyn ja rikkivetyyn, sillä ne yhdessä muodostavat rikkihappoa. Muita epäpuhtauksia puhdistetaan vain tarvittaessa, jos niiden pitoisuudet kaasussa ovat suuria. Kaasun puhdistusprosessi suunnitellaan aina tapauskohtaisesti, ja se perustuu raakakaasun koostumukseen ja laitevalmistajien asettamiin laatuvaatimuksiin. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 131-132.)
Biokaasua jalostetaan vähentämällä inerttien kaasujen, kuten typen ja hiilidioksidin, määrää kaasun energiasisällön kasvattamiseksi. Jalostus on mahdollista integroida muuhun tuotantoprosessiin, tai vaihtoehtoisesti se voidaan suorittaa erillisissä jalostuslaitoksissa.
Inerttejä kaasuja ei koskaan yritetä poistaa kokonaan, koska ne eivät aiheuta haittaa moottorien toiminnan kannalta, ja esimerkiksi hiilidioksidilla on oktaaniluvun kasvatuksen vuoksi moottoriteknistä laatua parantava vaikutus. Osa jalostusteknologioista vähentää
samalla epäpuhtauksia, mutta epäpuhtauksien poisto ei ole jalostuksen pääasiallinen tarkoitus. Yleisin biokaasun jalostusteknologioista on fysikaalinen absorptio, eli vesipesu tai kemikaalipesu, joka puhdistaa samalla tehokkaasti myös rikkivetyä. Kyseinen jalostusteknologia perustuu hiilidioksidin liukoisuuteen. Muita teknologioita ovat kemiallinen absorptio, fysikaalinen adsorptio, kryojalostus ja kalvojalostus.
Ympäristönsuojelun kannalta on perusteltua valita teknologia, jossa metaanivuotojen alhaisuus on mahdollisimman pieni, sillä metaani on yli 20 kertaa voimakkaampi kasvihuonekaasu kuin hiilidioksidi. Jos metaanivuoto ylittää 10 prosentin, tuotetun biokaasun elinkaaren kasvihuonekaasupäästöt ylittävät bensiinin ja dieselin päästöt.
(Kymäläinen & Pakarinen 2015, 134-136.)
5.2 Tieliikenne
Biopolttoaineiden käyttö liikenteessä sai alkunsa Brasiliassa jo 1900-luvun alussa. Vuonna 2015 niiden käyttö oli maailmanlaajuisesti jo 132 biljoonaa litraa. Biokaasun jalostus biometaaniksi on saanut alkunsa vaihtoehtona suoralle biokaasun käytölle lämmön ja sähkön tuotannossa, johtuen tuotetun lämmön alhaisesta kysynnästä. Biokaasu voidaan jalostaa biometaaniksi eri tekniikoita hyödyntäen, ja sitä voidaan käyttää suoraan liikenteen polttoaineena laajalti saatavissa olevien kaasuautojen moottoreissa. Biometaanin käytöllä ajoneuvoissa on hyvin alhaiset kasvihuonekaasupäästöt, ja se onkin yksi parhaista vaihtoehdoista uusiutuvana polttoaineena tieliikenteessä. Kaasumaisten biopolttoaineiden käyttö liikenteessä on lisääntymässä useissa EU-maissa, kuten Ruotsissa, Saksassa ja Suomessa, jonka lisäksi käyttö on kasvamassa myös Kiinassa, Yhdysvalloissa ja muissa maissa. Suurimmat markkinat biometaanille liikennepolttoaineena ovat Euroopan unionissa, jossa biometaanin käyttö vuonna 2015 oli yhteensä 160 miljoonaa kuutiometriä. (Scarlat et al. 2018a.) Intiassa ajoneuvoliikenne perustuu vielä bensiiniin ja dieseliin, sekä maakaasun käyttöön, mutta myös sähköautojen leviämistä on tavoiteltu ympäristösyiden vuoksi.
Maakaasua käytetään polttoaineena erityisesti julkisessa liikenteessä. Biokaasun liikennekäytölle ei ole erityisesti esteitä, mutta sen tuotanto Intiassa on vielä niin vähäistä, ettei sen käyttö liikenteessä ole yleistynyt. (Ulkoministeriö 2018.)
Maailmanlaajuisesti paineistettua maakaasua (CNG) polttoaineena käyttäviä ajoneuvoja on noin 18 miljoonaa ja tankkausasemien määrä on noin 22 000. Maakaasun toimittamiseksi liikennepolttoaineena on infrastruktuuri, jonka varrella on noin 350 CNG-käyttöisten autojen huoltoasemaa Euroopassa ja noin 1400 Yhdysvalloissa. Edellä luetusta määrästä 700 huoltoasemaa tarjosi biometaania vuonna 2015. Paineistettu biokaasu (CBG) sopii CNG- käyttöisille autoille sellaisenaan, sillä molemmat kaasut koostuvat metaanista. (Scarlat et al.
2018a.) Raskaan liikenteen, kuten rekkojen, polttoaineeksi soveltuu nesteytetty maakaasu (LNG) ja nesteytetty biokaasu (LBG). Biokaasuun jalostaminen nesteytetyksi biokaasuksi on kannattavaa, sillä LBG on tilankäytöllisesti yli 600 kertaa tehokkaampaa verrattuna biokaasuun ilmanpaineessa ja noin kolme kertaa tehokkaampaa verrattuna paineistettuun biokaasuun 200 baarissa. (Pellegrini et al. 2018.)
5.2.1 Biokaasukäyttöinen kaasuauto verrattuna sähköautoon
Tieliikenteessä ekologisuudellaan markkinoidut sähköautot ovat yleistyneet voimakkaasti bensiini- ja dieselkäyttöisten autojen rinnalle. Sähköautojen yleistyessä ja sähköntarpeen lisääntyessä herää kysymys ympäristöystävällisyydestä: mistä saadaan tuotettua tarpeeksi sähköä autojen tarpeisiin ja onko ympäristön kannalta perusteltua ajaa sähköautolla, jonka sähkö on tuotettu esimerkiksi kivihiilellä? Lisäksi akkujen raaka-aineena käytetyt alkuaineet litium ja koboltti puhuttavat raaka-aineiden kaivamisesta aiheutuvien ympäristöongelmien vuoksi. Kaasuautot eivät ole saavuttaneet tähän mennessä yhtä suurta suosiota, eikä niitä huomioida yhtä laajasti kuin sähköautoja puhuttaessa vaihtoehtoisista autoilumuodoista.
Lyngin ja Brekken (2019) tutkimuksessa esitetään biokaasun linja-autoliikenteessä käytettävien polttoaineiden elinkaarta LCA-menetelmän (Life Cycle Assessment) avulla ja verrataan sitä vaihtoehtoisiin polttoaineisiin. LCA on menetelmä, jolla arvioidaan tuotteen tai palvelun koko elinkaaren vaiheiden vaikutusta ympäristöön. Vaiheita ovat esimerkiksi raaka-aineiden hankinta ja kuljetus, tuotanto, käyttö, sekä käytöstä poistamisen edellyttämät käsittelyt. Tutkimus kohdistuu EURO 6 päästöluokan busseihin, ja se on rajattu saatavilla oleviin polttoainetyyppeihin ja ympäristövaikutukset on laskettu yhtä kilometriä kohti.
Vertailussa olevat polttoaineet ovat ruokajätteestä ja lannasta tuotettu biokaasu, maakaasu, vesivoimalla kulkeva sähköauto, hiilellä kulkeva sähköauto, dieselautot, sekä ruoka-, rapsi-
ja palmuöljypohjaisella biodieselillä kulkevat autot. Polttoaineiden vaikutusta on pohdittu muun muassa ilmaston lämpenemisen, otsonikerroksen ohentumisen, happamoitumisen ja rehevöitymisen kannalta. Liikenteen elinkaari on jaettu tutkimuksessa neljään elinkaaren vaiheeseen: polttoaineen tuotantoon, polttoaineen jakeluun, ajoneuvon valmistukseen ja huoltoon, sekä ajamiseen. Biokaasun tuotantoa varten on oletettu, että lantaa kuljetetaan noin 20 kilometrin matka maatilalta biokaasulaitokselle EURO 6 päästöluokkaan kuluvalla kuorma-autolla. Ruokajätteen kuljetus biokaasulaitokselle on rajattu tutkimuksen ulkopuolelle. Tutkimustulokset osoittavat, että sähkölinja-autojen ympäristövaikutusten tulokset riippuvat pitkälti ajon aikana käytetyn sähkön tuotantotavasta. Tutkimuksessa käytetyt vesi- ja hiilivoima edustavat kahta ääripäätä: vesivoima on puhdas ja hiilivoima saastuttava ratkaisu sähkön tuotannossa. Todellisuudessa sähkökäyttöinen linja-auto kuitenkin käyttää polttoaineenaan sähköä, joka on tuotettu erilaisista energianlähteistä, jolloin todelliset päästöt sijoittuvat tavallisesti edellä mainittujen kahden ääripään väliin.
Alla oleva diagrammi on muotoiltu Lyngen ja Brekken (2019) LCA-tutkimuksen tuloksista, ja siinä nähdään eri polttoaineiden ilmastonlämmityspotentiaali, eli GWP (Global Warming Potential).
Kuva 5. Eri polttoaineiden ilmastonlämmityspotentiaali. (Mukailtu: Lyng & Brekke 2019)
Tuloksista nähdään, että autojen polttoaineeksi jalostetulla pienimmät päästöt aiheutuvat sähköautosta, joka käyttää vesivoimalla tuotettua sähköä, mutta myös biometaanilla on pieni ympäristövaikutus verrattuna muihin vaihtoehtoihin. Lannasta tuotetusta biokaasusta
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Biokaasu ruokajätteestä
Biokaasu lannasta
Fossiilinen maakaasu
Vesivoimalla tuotettu sähkö
Hiilivoimalla tuotettu sähkö
Fossiilinen diesel GWP kgCO2-ekvivalentti/km
GWP
Ajaminen Ajoneuvon tuotanto ja huolto Jakelu Polttoaineen tuotanto Yhteensä
aiheutuu hieman enemmän ympäristövaikutuksia kuin ruokajätteestä, mikä johtuu lannan suuremmasta vesipitoisuudesta tonnia kohti, ja pienemmästä biokaasupotentiaalista tonnia kuiva-ainetta kohden, mikä tarkoittaa, että lantaa pitää kuljettaa enemmän, jotta siitä saataisiin biokaasua yhtä paljon kuin ruokajätteestä. Tutkimuksen mukaan kaikissa liikennemuodoissa pelkästään ajoneuvolla on suhteellisen vähäiset vaikutukset ympäristön kannalta, jopa akuilla varustetuilla sähköajoneuvoilla. LCA:ta sovellettaessa biokaasun liikennepolttoaineen arviointiin, tuloksiin vaikuttavat suuresti taustalla olevat oletukset.
Kyseisen tutkimuksen oletusten ja rajausten perusteella biokaasu osoittautui pienimmät ympäristövaikutukset omaavaksi polttoaineeksi busseissa. Fossiilinen diesel ja maakaasu, sekä hiilivoimalla tuotettu sähkö, osoittautuivat saastuttavimmiksi polttoainevaihtoehdoiksi.
5.2.2 Biokaasu verrattuna dieseliin
Vertailtaessa biokaasua ja dieseliä polttoaineena, huomioonotettava ominaisuus on energiatiheys, joka kertoo polttoaineen energian määrän tilavuutta kohti. Dieselöljyn energiatiheys on noin 32-40 MJ/l (Nektalova 2006). Paineistetun maa- ja biokaasun energiatiheys on noin 9 MJ/l 250 baarin paineessa, ja nesteytetyn maa- ja biokaasun energiatiheys noin 22,5 MJ/l (Bioenergia). Energiatiheyden osalta CBG ja LBG eivät ole kilpailukykyisiä dieseliin verrattuna. Motivan (2019b) mukaan dieselillä on fossiilisia polttoaineita tarkasteltaessa pienimmät CO2-päästöt, mutta yksi diesellitra aiheuttaa hiilidioksidipäästöjä silti noin 2660 grammaa, jonka lisäksi dieselillä on myös korkeat typenoksidi-, eli NOx-päästöt. Edellä mainitut päästöt aiheuttavat terveysriskejä, ja ne on luokiteltu potentiaalisiksi karsinogeeneiksi, eli syöpää aiheuttaviksi aineiksi, ja niille altistuminen voi aiheuttaa myös useita muita terveysvaikutuksia (Mustafi et al. 2013).
Koposen ja Nils-Olofin (2012) julkaisemassa kirjassa on esitetty eri polttoaineiden kasvihuonekaasupäästöjä GHGenius LCA-järjestelmällä laskettuna. Kirjan mukaan dieselin elinkaaren aikaiset päästöt polttoaineen tuotannon ja palamisen mukaan lukien ovat 96,9 gCO2-ekvivalenttia yhtä megajoulea kohden. Mädätyksellä tuotetun biokaasun elinkaaren aikaiset päästöt puolestaan ovat vain 5,8 gCO2-ekvivaenttia megajoulea kohden.
5.3 Sähkön ja lämmön tuotanto
Biokaasua voidaan hyödyntää sähkön ja lämmön yksittäisessä tuotannossa, tai yhteistuotannossa. Sähköntuotantoon käytetään pääasiassa kaasumoottoreita. Myös mikrokaasuturbiinit ovat käytössä, mutta ne eivät ole kovin yleisiä. Käytetystä laitteistosta riippumatta, biokaasu tulee puhdistaa rikkivedystä, vesihöyrystä ja, raaka-aineesta riippuen, siloksaaneista. (Kaltschmitt 2013, 165.) Termillä siloksaani viitataan silikonien alakategoriaan, joka sisältää pii-happi-sidoksia. Anaerobisen hajoamisen aikana, jossa lietteen lämpötila nousee noin 60 ° C: seen, siloksaaneja haihtuu merkittävästi ja ne päätyvät muodostuvaan biokaasuun. Piitä sisältävien kaasujen palamisen seurauksena syntyy mikrokiteinen piioksidi, jonka kemialliset ja fysikaaliset ominaisuuden ovat samat kuin lasilla, joka johtaa kaasumoottorin pintojen hankautumiseen. Tästä voi aiheutua vakavia moottorivaurioita. (Dewil et al. 2006.)
Biokaasun käyttö lämmityksessä on sen yksinkertaisin ja historiallisesti ensimmäinen hyödyntämismuoto. Lämmitys on toteutettavissa keskitetyllä tai laitekohtaisella järjestelmällä. Keskitetyn järjestelmän toimintaperiaate on yksinkertainen: lämpö tuotetaan polttamalla biokaasua kattilassa ja siirretään väliaineena olevan veden, höyryn tai lämmönsiirtonesteen avulla loppukulutukseen. Laitekohtaiset järjestelmät toimivat siten, että lämmön sijaan kattilasta siirretään loppukulutuslaitteessa poltettava biokaasu.
Kattilapoltossa on mahdollista hyödyntää lämpönä 75-85 % biokaasun energiasisällöstä, eli energiahyötysuhde on melko suuri. Suuresta energiahyötysuhteesta huolimatta, työn teon potentiaali, eli exergiasisältö on nolla. Kattilapolttoon sopii myös huonolaatuisempi biokaasu, jopa puhdistamaton, mutta vesihöyry ja rikki pyritään kuitenkin poistamaan laitteiden kestävyyden vuoksi. Riippuen polttimesta, rikkiä ei aina tarvitse puhdistaa, jolloin biologinen pelkistys reaktorissa on riittävä. Globaalisti tavallisin biokaasun hyödyntämislaite on kaasua polttava keitin. Myös erilaiset lämmittimet, liedet, uunit ja grillit hyödyntävät biokaasua. Erillistuotannon lisäksi lämpöä tuotetaan sähkön ja lämmön yhteistuotantoon keskittyneissä CHP-järjestelmissä. Kyseisissä järjestelmissä korkeassa lämpötilassa tapahtuva lämmön talteenotto alentaa sähköntuotannon hyötysuhdetta, jonka vuoksi tavoitteena on hyödyntää lämpö matalan lämpötilavaatimuksen sovelluksissa.
(Kymäläinen & Pakarinen 2015, 150-151.) Eri CHP-järjestelmät eroavat toisistaan teknisesti
ja toiminnallisesti. Kaasu-ottomoottorit käyttävät pääasiassa biokaasua polttoaineenaan. Ne toimivat ottomoottoriperiaatteella ja ne on varustettu turboahtimella. Polttoaineena käytettävän biokaasun metaanipitoisuuden tulee olla yli 45 %. Myös öljyllä sytytettävät moottorit voivat käyttää biokaasua polttoaineena. Ne käyttävät sytytykseen kuitenkin noin 7-10 % öljyä, kuten dieseliä tai biodieseliä. Kyseisillä moottoreilla on sama toimintaperiaate kuin dieselmoottoreilla. Mikrokaasuturbiinit voivat käyttää pelkkää biokaasua polttoaineena. Ne ovat nopeatempoisia kaasuturbiineja, joilla on enintään noin 600 kW:n sähköteho. Ne sisältävät ilman esilämmityksen rekuperaattorissa, ja turbiinin, jonne paisutettu kaasu johdetaan palamisen jälkeen. Mikrokaasuturbiineissa biokaasun metaanipitoisuuden tulee olla yli 35 %, ja turbiinien tulee sietää korkeampia rikkivetypitoisuuksia muihin CHP-yksiköihin verrattuna. (Kaltschmitt 2013, 166.)
Biokaasulla voidaan tuottaa myös sähköä eri lämpövoimakonetyypeillä ja useilla muilla voimanlähteillä. Suomessa biokaasusähköntuotanto on aloitettu jo vuonna 1936, ja ottomoottorit ovat olleet hallitsevassa asemassa siitä lähtien muihin tyyppeihin verrattuna Biokaasuvoimalaitosten tehot vaihtelevat välillä 30 kW-30 MW ja hyötysuhteet välillä 25- 45 %. Siirto- ja muuntohäviöiden jälkeen loppukulutukseen päätyvä sähkö saadaan noin 20- 40 % hyötysuhteella. Sähköntuotantolaitteet eivät edellytä biokaasun jalostusta, vaan niissä voidaan käyttää sekä puhdistettua reaktori- että kaatopaikkakaasua. Osa sähköntuotantolaitteista kuitenkin vaatii, että kaasun metaanipitoisuus on enemmän kuin 40
%. Tuotannon hyötysuhde on kaikista korkein lauhdetuotannossa. CHP-voimaloissa sähköntuotannon hyötysuhde tavallisesti alenee, sillä lämpövoimakoneiden hyötysuhde on riippuvainen lämpötilaerosta. CHP-tuotannossa kokonaishyötysuhde on selkeästi suurempi kuin lauhdetuotannossa. Biokaasulaitoksissa sähköntuotannossa käytetään lähes aina CHP- tekniikkaa, sillä reaktori pitää lämmittää. CHP-laitosten sähkön tuotanto on sidoksissa lämmön kulutukseen, ja on tavallista, ettei laitoksissa tuotetulle lämmölle löydy aina tarpeeksi kulutusta, sillä biokaasulaitosten sijainti on usein kaukana asutuksesta ja kaukolämpöverkostoista. Tämän vuoksi sähkön tuotantoa joudutaan ajoittain alentamaan, ja joskus biokaasua täytyy jopa soihduttaa. Soihdutus on biokaasun käsittelyyn tarkoitettu varajärjestelmä, sillä metaanin ollessa voimakas kasvihuonekaasu, sitä ei saa päästää ilmakehään. Soihdussa metaani poltetaan hiilidioksidiksi. Suurissa laitoksilla varajärjestelmäksi on kehitetty hätäsoihtu, joka käynnistyy, kun kaasun paine nousee raja- arvoa suuremmaksi. (Kymäläinen & Pakarinen 2015, 152-153, 178.)
